Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Обзор литературы 11
1.1 Общие сведения о магнитных коллоидах 11
1.2 Представление магнитной жидкости в виде однородной среды 12
1.3 Поведение капель магнитной жидкости во внешних полях 18
1.4 Поведение струй магнитной жидкости во внешних полях 25
1.5 Электрические свойства и электрокинетические процессы в магнитных коллоидах 29
Результаты и выводы 1-й главы 33
ГЛАВА 2. Объект и методы экспериментальных исследований
2.1 Объект исследования 35
2.2. Измерение основных характеристик исследованных образцов 35
2.2.1. Измерение немагнитных характеристик 35
2.2.2. Измерение магнитных характеристик исследованных образцов .
2.3 Исследование особенностей движения капли магнитной жидкости во вращающемся магнитном поле 42
2.4 Исследование поведения струй магнитной жидкости под действием однородных магнитного и электрического полей 46
2.5. Методика и экспериментальные установки для исследования электрокинетических явлений в магнитных жидкостях 50
Результаты и выводы 2-й главы 53
ГЛАВА 3. Особенности движения капли магнитной жидкости в однородном вращающемся магнитном поле 54
3.1. Представление о внутренних вращениях в магнитных жидкостях... 54
3. 2. Экспериментальное исследование движения капли магнитной жидкости во вращающемся магнитном поле 56
3.3. Теоретический анализ обнаруженных особенностей процесса движения капли магнитной жидкости во вращающемся магнитном поле
Результаты и выводы 3-й главы 75
ГЛАВА 4. Особенности взаимодействия капель магнитных жидкостей с различной структурой с нестационарными магнитными полями 77
4.1. Особенности взаимодействия капли магнитной жидкости, содержа
щей намагниченные агрегаты с вращающимся магнитным полем 77
4.2 Взаимодействие плоских капель магнитных жидкостей с однородным переменным магнитным полем 83
4.3 Влияние микроструктуры магнитных жидкостей на макроскопическое движение их капель в неоднородном переменном магнитном поле 88
Результаты и выводы 4-й главы 94
ГЛАВА 5. Исследование поведения струй магнитной жидкости под действием внешних силовых полей 95
5.1 Взаимодействие струй магнитной жидкости в скрещенных магнитном и электрическом полях 95
5.2 Теоретический анализ результатов исследования взаимодействия струй магнитной жидкости в электрическом и магнитном полях 101
5.3 Исследование электрокинетических процессов в магнитных коллоидах
5.3.1 Электрофорез 109
5.3.2 Потенциал седиментации 115
Результаты и выводы 5-й главы 120
Заключение 121
Список литературы
- Представление магнитной жидкости в виде однородной среды
- Измерение магнитных характеристик исследованных образцов
- Теоретический анализ обнаруженных особенностей процесса движения капли магнитной жидкости во вращающемся магнитном поле
- Влияние микроструктуры магнитных жидкостей на макроскопическое движение их капель в неоднородном переменном магнитном поле
Введение к работе
Актуальность проблемы. Высокодисперсные коллоиды ферро- и ферримагнети-ков, синтезированные около пятидесяти лет назад, получившие название «магнитные жидкости» (МЖ), до настоящего времени остаются объектом, привлекающим интерес широкого круга исследователей явлений, связанных с взаимодействием электромагнитного поля со средой. Это объясняется как возможностью практического применения магнитных жидкостей в машиностроении, приборостроении, медицине и т.д., так и возникновением целого ряда фундаментальных проблем физического, физико-химического и гидродинамического характера.
Несмотря на то, что в настоящее время широко исследованы электрические, магнитные, тепловые и другие свойства магнитной жидкости, и влияние на них магнитного и электрического полей, остаются открытыми ряд вопросов. К ним, в том числе, относятся особенности взаимодействия ограниченных объемов магнитной жидкости с магнитными и электрическими полями. В частности, остается слабоизученным поведение капли магнитной жидкости в неоднородном и во вращающемся магнитных полях, в процессе которого может изменяться как степень деформации капли, так и развиваться внутренние вращения микрочастиц. Остаются также до конца невыясненными механизмы переноса заряда в магнитных жидкостях и особенности протекания в них электрокинетических явлений. Между тем с ними связано изменение физических свойств магнитных коллоидов и эффективность взаимодействия их ограниченных объемов с магнитным и электрическим ПОЛЯМИ.
Таким образом, экспериментальное и теоретическое исследование взаимодействия капель и струй магнитных жидкостей с магнитными и электрическими полями, выяснение особенностей электрокинетических процессов, происходящих в таких средах при наличии магнитного поля является актуальным как с научной, так и практической точек зрения.
Настоящая работа выполнялась в рамках реализации базовой части государственного задания Министерства образования и науки РФ высшим учебным заведениям и научным организациям в сфере научной деятельности, проект № 2479: «Эффекты взаимодействия магнитных коллоидных наносистем и композицион-
ных сред на их основе с магнитным и электрическим полями».
Цель работы: Исследование особенностей взаимодействия капель магнитной жидкости с различной микроструктурой с вращающимся и переменным магнитными полями, а также взаимодействия струй с магнитным и электрическим полями.
Задачи исследования:
-
Установить особенности движения капель магнитной жидкости в вязких средах при воздействии внешнего однородного вращающегося магнитного поля, связанные с деформацией и структурно-кинетическими процессами, происходящими в системе микрочастиц.
-
Исследовать влияние микроструктуры магнитных жидкостей на макроскопическое взаимодействие капель таких сред с переменным магнитным полем, установить связанные с ним особенности их движения в неоднородном магнитном поле.
-
Изучить процесс взаимодействия двух струй в скрещенных магнитном и электрическом полях с целью определения величины поляризационного и индуцированного зарядов, образующихся под действием электрического поля на поверхности струй.
-
Разработать новую методику исследования электрофореза в магнитных жидкостях, позволяющую использовать наличие сильных магнитных свойств у частиц дисперсной фазы. Уточнить механизмы переноса заряда в магнитных жидкостях.
Объектом исследования являются капли и струи магнитной жидкости.
Предметом исследования являются особенности поведения капель и струй магнитной жидкости при воздействии на них магнитных и электрических полей.
Научная новизна результатов исследования:
1. Установлены и теоретически обоснованы особенности движения капли магнитной жидкости во вращающемся магнитном поле, обусловленные вращением деформированной магнитным полем капли:
- отклонение направления движения капли магнитной жидкости, падающей в
однородном вращающемся магнитном поле от вертикали и его зависимость
от частоты вращения поля, имеющая максимум при некоторой частоте;
- зависимость указанного отклонения от межфазного натяжения на границе
«капля - среда».
-
Впервые исследованы особенности взаимодействия капель магнитной жидкости, содержащей хорошо развитую систему намагниченных агрегатов с вращающимся магнитным полем, показано, что в этом случае вращение капли не связано с ее деформацией, а обусловлено внутренними вращениями намагниченных агрегатов.
-
Установлены особенности поведения капли магнитной жидкости, содержащей хорошо развитую систему намагниченных агрегатов, в переменном магнитном поле - при некоторой частоте и амплитуде напряженности переменного поля капля приходит во вращательное движение, угловая скорость которого нелинейно зависит от частоты поля. Сделан вывод о возможности при определенных условиях синхронизации вращений отдельных агрегатов частиц, содержащихся в капле.
-
Впервые проведено исследование взаимодействия двух параллельных струй магнитной жидкости в совместно действующих магнитном и электрическом полях. Показана возможность компенсации сил взаимодействия струй, вызванных электрическим полем при дополнительном действии магнитного поля. На основе теоретического анализа эффекта компенсации взаимного отталкивания струй в электрическом поле за счет их взаимного притяжения в магнитном поле проведены расчеты плотности индуцированного на поверхности струй заряда.
-
Разработана оригинальная методика исследования электрофореза в магнитных коллоидах, отличающаяся от ранее известных, использованием сильных магнитных свойств коллоидных частиц.
Научная и практическая значимость. Полученные результаты исследования особенностей движения капель и эффектов взаимодействия струй магнитных жидкостей, помещенных в магнитное и электрическое поля внесли определенный вклад в развитие фундаментальных проблем физики жидких намагничивающихся сред.
Предложенный на основе обнаруженного эффекта компенсации сил взаимодействия струй при совместном действии магнитного и электрического полей бесконтактный метод определения плотности заряда на поверхности, помещенной в электрическое поле струи магнитного коллоида позволяет получить более полную информацию о механизмах накопления заряда на межфазных границах коллоидных систем при воздействии электрических полей.
Установленные особенности движения капель магнитных жидкостей в неоднородных и вращающихся магнитных полях могут быть полезны при решении проблем управления внешними полями потоками магнитных аэрозолей.
Обнаруженные особенности взаимодействия с внешними переменными полями магнитных жидкостей, в которых возможно образование намагниченных агрегатов могут быть использованы при проектировании устройств и приборов, в которых магнитная жидкость используется в качестве рабочего тела.
Методология и методы исследования.
В настоящей работе использованы как экспериментальные, так и математические методы и подходы. Экспериментальные исследования проводились с использованием методов магнитных и электрических измерений. Для теоретического анализа и интерпретации полученных результатов использовались методы прикладной математики и программирования.
Соответствие диссертации паспорту научной специальности. В соответствии с областью исследования специальности 01.04.07 «Физика конденсированного состояния» диссертация включает в себя экспериментальное и теоретическое изучение проблем взаимодействия жидких сред с электрическим и магнитным полями. В работе исследованы особенности поведения капель и струй магнитных жидкостей в электрическом и магнитном полях, обусловленные как процессами деформации, так и изменением микроструктуры магнитных жидкостей при воздействии внешних полей, а также механизмы накопления зарядов на межфазных границах и особенности электрокинетических процессов в таких средах. Полученные научные результаты соответствуют пунктам 2, 4 и 5 паспорта специальности.
Научные результаты, выносимые на защиту:
1. Эффект отклонения падающей капли магнитной жидкости от вертикали при дополнительном воздействии вращающегося магнитного поля и его теоретическое обоснование на основе проявления сил Магнуса, а также сделанный на основе анализа полученных результатов вывод о несущественной роли внутренних вращений коллоидных частиц в исследованной среде.
2.Сделанный на основе результатов экспериментальных исследований вывод, что особенности макроскопического поведения капли во вращающемся магнитном поле могут быть обусловлены как процессами деформации капель, так и внутренними вращениями содержащихся в них агрегатов.
3.Обнаруженные и изученные особенности поведения капли магнитной жидкости с хорошо развитой системой намагниченных агрегатов в переменном магнитном поле - переход ее при определенных условиях во вращательное движение вследствие синхронизации внутренних вращений агрегатов.
-
Экспериментально обнаруженный эффект компенсации сил отталкивания параллельных струй магнитных жидкостей, вызванных электрическим полем, при дополнительном воздействии магнитного поля, направленного перпендикулярно электрическому и его теоретическое обоснование.
-
Методика расчета плотности поляризационного заряда на поверхности струи, помещенной в электрическое поле, основанная на использовании выше указанного компенсационного эффекта при дополнительном действии магнитного поля. Вывод, сделанный на основе анализа результатов расчета по предложенной методике, о том, что накопление заряда на поверхности струй большинства исследованных магнитных жидкостей связано не с процессами их поляризации, а с перераспределением свободного заряда.
-
Методика исследования электрофореза в магнитных коллоидах, позволяющая использовать наличие сильных магнитных свойств у коллоидных частиц, а также вывод, сделанный на основе полученных при ее использовании экспериментальных результатов, что основными носителями свободного заряда в исследованных жидкостях являются примесные ионы.
Личный вклад автора. Автором лично проведены все экспериментальные исследования, обработка результатов измерений и представленные в диссертационной работе расчеты. Проведено сравнение экспериментальных данных с результатами теоретического исследования. Основные выводы и положения диссертационной работы сформулированы лично автором.
Публикации и апробация работы.
Основные результаты диссертационного исследования опубликованы в 11-ти печатных работах, из них 6 статей в научных журналах, входящих в перечень ВАК, один патент. Результаты работы доложены и обсуждены на 15-ой Международной Плесской научной конференции по нанодисперсным магнитным жидкостям. (Плёс, 2012), 3-ей и 4-ой Всероссийской научной конференции «Физико-химические и прикладные проблемы магнитных дисперсных наносистем» (Ставрополь, 2011, 2013), 55-ой, 56-ой научно-методических конференциях преподавателей и студентов СГУ «Университетская наука - региону» (Ставрополь, 2010, 2012).
Структура диссертации. Работа состоит из введения, пяти глав, заключения и списка цитируемой литературы, содержащего 183 наименования, изложена на 139 страницах текста, содержит 37 рисунков.
Представление магнитной жидкости в виде однородной среды
Одним из наиболее интересных и важных в научном и прикладном плане свойств МЖ является их способность эффективно взаимодействовать с магнитными полями при сохранении текучести. При этом они способны сохранять однородность в течение многих лет, без изменения величин магнитной восприимчивости и намагниченности, что позволяет широко использовать их в технике и современных технологиях. Таким образом, основным средством управления магнитными жидкостями является магнитное поле. Так, с помощью воздействия на магнитную жидкость неоднородного магнитного поля можно достичь объемных пондеромоторных сил, на несколько порядков превышающих силу тяжести. Благодаря этому на основе магнитных жидкостей разрабатываются магнитожидкостные сепараторы, амортизирующие элементы, датчики ускорения и другие устройства.
Кроме того, способность магнитных сил удерживать такие среды в определенных участках пространства способствовала разработке на их основе магнитожидкостных сепараторов, управляемых смазочных материалов, маг-ниточувствительных сред для дефектоскопии.
Первоначально, магнитные жидкости представлялись в виде однородного дипольного газа, в котором элементарным носителем магнитного момента т является коллоидная однодоменная частица. Намагниченность такой среды М в поле, напряженностью Я может быть описана с помощью теории Ланжевена: где (р - объемная концентрация дисперсной фазы, Мs - намагниченность
Согласно одночастичной модели, предполагающей возможность описания процессов намагничивания магнитных жидкостей с помощью теории Ланжевена, зависимость их магнитной восприимчивости от концентрации дисперсной фазы должна быть линейной. Однако, экспериментальные исследования показали, что она таковой не является. Это указывает на проявление взаимодействия дипольных частиц даже в магнитных жидкостях с небольшой концентрацией дисперсных частиц. Наиболее распространенным способом учета диполь-дипольного взаимодействия является введение так называемого эффективного поля. В этом случае для намагниченности МЖ в приближении монодисперсности может быть записано выражение: где в - объемная концентрация дисперсной фазы, V - объем дисперсной частицы. Последняя формула может быть использована для расчета эффективных полей и оценки эффективности диполь-дипольного взаимодействия дисперсных частиц.
В работе [150] на основе анализа действующих на дипольную частиц сил получена формула для расчета эффективных полей по концентрационной зависимости магнитной восприимчивости:
Полученная формула позволяет рассчитать параметр эффективного поля я, по экспериментально полученной зависимости %(в). В этой же работе получена формула для расчета эффективного поля при использовании зависимости магнитной восприимчивости от температуры:
Однако, проведенные расчеты показали ограниченность применения теории эффективного поля в виде #ЭФ =Н+Ш так как рассчитанные значения Л оказались зависимыми от концентрации и температуры.
В последующем построение моделей магнитных жидкостей с взаимодействующими частицами неоднократно предпринимались в ряде работ, анализ большинства которых проведен А. Ф. Пшеничниковым и А. В. Лебедевым в работе [134]. В качестве приоритетных теоретических моделей ими были выделены среднесферическое приближение [147], теория возмущений [148], разложение Борна-Майера [136, 137], модифицированная модель среднего поля [138, 149]. Во всех этих теориях предполагается, что равновесная намагниченность магнитной коллоидной системы является функцией ланжевенов-ской намагниченности МL и ее производных. В этом случае, магнитная восприимчивость концентрированного коллоида может быть представлена в виде ряда по степеням ланжевеновской восприимчивости Хь [135]:
При этом, XL представляется в виде: XL = % 6 , на основании чего делается вывод, что параметр Л и ланжевеновская восприимчивость Хь имеют одинаковый смысл отношения энергии диполь-дипольных взаимодействий к тепловой. Эти параметры используются в современных аналитических моделях, описывающих свойства дипольных систем с учетом магнитодиполь-ных и стерических взаимодействий. Выражение для восприимчивости ищут в виде ряда по степеням Л и в или Хь и используя различные приемы для отыскания коэффициентов при соответствующих членах разложения. Так Хуке и Люке [136, 137] получили разложение намагниченности в ряд по параметру агрегирования с использованием техники Борна-Майера, которое может быть представлено в виде:
Измерение магнитных характеристик исследованных образцов
Величина коэффициента поверхностного натяжения определялась методом отрыва кольца. Плотность исследованных образцов определялась методом гидростатического взвешивания путём определения с помощью торсионных весов величины выталкивающей силы, действующей со стороны магнитной жидкости на медный цилиндр известных массы и объёма, по формуле [V]:
Диэлектрическая проницаемость исследованных образцов определялась путём измерения электроёмкости измерительной ячейки без образца и ячейки, полностью заполненной магнитной жидкостью.
Электроемкость пустой и заполненной образцом ячейки определялась на частоте 1 кГц с помощью цифрового моста RLC-&17. Диэлектрическая проницаемость рассчитывалась с учетом паразитной емкости соединительных проводов.
Так как ёмкость пустой измерительной ячейки а ёмкость ячейки, заполненной эталонной жидкостью где С0 - емкость пустой ячейки без учёта ёмкости подводящих проводов, С - емкость подводящих проводов, єе - диэлектрическая проницаемость эта 37 лонной жидкости, то ёмкость ячейки, заполненной исследуемым образцом с учётом подводящих проводов, определится выражением: С = С0 + Ср, где є - диэлектрическая проницаемость исследуемого образца магнитной жидкости. Емкость Ср определялась предварительно при калибровке ячейки, заполненной эталонным веществом, в качестве которого использовались чистый керосин и бензол, величина диэлектрической проницаемости которых равна 2,2 и 2,1 соответственно. Измеренные таким способом значения диэлектрической проницаемости исследованных в эксперименте образцов магнитной жидкости составили 9,6; 6,3; 3,5 соответственно.
Магнитная восприимчивость исследованных в работе образцов магнитной жидкости определялась с помощью экспериментальной установки, схема которой приведена на рисунке 2.1.
Установка представляет собой соленоид 1, намотанный медным проводом диаметром 0,3 мм на стеклянной трубке внешним диаметром 10 мм и длиной 20 см. Внутри соленоида располагается стеклянный контейнер цилиндрической формы 2, заполняемый образцом магнитной жидкости 3. Обмотка подключается к входу измерителя индуктивности RLC-817.
С целью исключения влияния температурных колебаний на величину индуктивности измерительной обмотки соленоид располагается внутри холодильника 4, представляющего собой стеклянную трубку с двумя патрубками, через которые прокачивается вода температурой 293 К.
Схема ячейки для измерения магнитной восприимчивости магнитной жидкости. Таким образом, если индуктивность пустого соленоида L0, а индуктивность соленоида с помещённым в его канал образцом магнитной жидкостью L, то эффективная величина магнитной восприимчивости исследуемого образца может быть определена простым отношением:
Очевидно, что величина, определяемая выражением (2.3), отлична от истинного значения магнитной восприимчивости % исследуемого образца, так как часть внутреннего объёма соленоида заполнена материалом его каркаса и материалом контейнера с образцом магнитной жидкости. Для определения истинного значения магнитной восприимчивости вводится так называемый коэффициент заполняемости А соленоида. Тогда
Величина А определяется экспериментально. Для этого был использован бескаркасный соленоид, с помощью которого определялось абсолютное значение восприимчивости путем измерения его индуктивности ДО (LQ ) И (L ) после заполнения его высокостабильной магнитной жидкостью. Затем повторялись аналогичные измерения с использованием соленоида и контейнера, задействованных в экспериментальных исследованиях. Тогда величина коэффициента заполняемости определится выражением A = L0(L -L Q) L 0(L-Loy
Намагниченность исследованных образцов магнитной жидкости измерялась баллистическим методом. Схема соответствующей экспериментальной установки представлена на рисунке 2.2.
Схема экспериментальной установки для измерения намагниченности магнитной жидкости баллистическим методом. Установка представляет собой измерительную катушку 1 цилиндрической формы, которая располагается внутри намагничивающей катушки 2, питаемой от источника постоянного напряжения регулируемой величины. В канале измерительной катушки располагается стеклянный контейнер 3 цилиндрической формы с исследуемым образцом магнитной жидкости 4.
Внутренний диаметр измерительной катушки 1,2 см, длина - 30 см. Обмотка катушки содержит 14 тысяч витков медного провода диаметром 0,4 мм. Внутренний диаметр обмотки намагничивающей катушки составляет 7 см, а её длина - 60 см, что позволяет при токе в обмотке 10 А достигать магнитных полей напряжённостью 30 кА/м. С целью компенсации влияния магнитного поля Земли на результаты измерений, намагничивающий соленоид устанавливается осью вдоль земного магнитного меридиана.
Градуировка соленоида по напряжённости поля осуществлялась с помощью измерителя магнитной индукции Е11-3С с погрешностью 0,2 %.
При быстром извлечении из установки контейнера с исследуемым образцом происходит изменение магнитного потока, пронизывающего витки измерительной катушки. Тот же эффект может быть получен не путём извлечения контейнера, а в результате размыкания с помощью ключа 5 цепи намагничивающей катушки.
Изменение магнитного потока, пронизывающего витки измерительной катушки, измерялось при помощи микровеберметра Ф-199. Расчёт намагниченности М образца осуществлялся по формуле: М = , где АФ - изменение магнитного потока, п - число витков катушки, S -площадь поперечного сечения образца МЖ.
Относительная погрешность измерений намагниченности описанным методом определялась суммой єт = єф + sd, где єф - относительная погрешность измерения магнитного потока микровеберметром Ф-199 (определялась исходя из паспортных данных прибора), sd - относительная погрешность измерения внутреннего диаметра контейнера с магнитной жидкостью. Суммарная погрешность измерений составила 2,5% при измерениях в полях напряженностью до 0,5 кА/м и 1,5% при напряженностях магнитного поля до 60 кА/м.
Исследование особенностей движения капли магнитной жидкости во вращающемся магнитном поле осуществлялось с помощью экспериментальной установки, схема которой показана на рисунке 2.3. Вращающееся магнитное поле создавалось с помощью двух пар катушек Гельмгольца, расположенных взаимно перпендикулярно. На обмотки катушек подавалось переменное напряжение одинаковой частоты. Частота напряжения регулировалась в диапазоне от 1 Гц до 30 Гц, со сдвигом фаз 90.
Градуировка катушек осуществлялась путём измерения напряжённости магнитного в центре пространства между каждой пары катушек Гельмгольца с помощью измерителя магнитной индукции Ш1-8. Питание катушек осуществлялось с помощью низкочастотного звукового генератора WW5062 и двух усилителей мощности LV 103 с возможностью плавной регулировки коэффициента усиления. Измерение величины напряжённости Н вращающегося магнитного поля осуществлялось путём измерения амплитудных значений напряжённости Нх и Н2 магнитных полей каждой пары катушек Гельмгольца. Для этого последовательно с обмотками включались постоянные резисторы сопротивлением 1 Ом и мощностью 10 Вт. Падение напряжения с каждого резистора подавалось на входы цифрового осциллографа DS5062CA, что позволило путём измерения амплитудных значений напряжения рассчитать амплитуды силы тока /, и /2 в обмотках катушек, после чего на основании аппроксимационных уравнений Нх = f(Ix) и Н2 = f(I2), полученных в
Теоретический анализ обнаруженных особенностей процесса движения капли магнитной жидкости во вращающемся магнитном поле
Очевидно, что в условиях настоящего эксперимента величина эквивалентного радиуса является функцией угла поворота капли а. Найти зависимость R3KB = f{pc) можно из следующих соображений. Известно, что эквивалентные радиусы сферы Rmin и Rmax в случае сплюснутого и вытянутого эллипсоидов определяются выражениями вида [2, 3]: где а0 и b0 - большая и малая полуоси капли соответственно, /5 = а0 /b0.
Поскольку капля находится во вращательном движении, то величина эквивалентного радиуса R3KB с течением времени изменяется по гармониче ж скому закону. При этом в моменты времени, когда а = — и а = л эквивалентный радиус принимает соответственно в горизонтальном направлении. значения R3KB = Rmin и R3KB = RmaK . Легко показать, что этому условию соответствует функция вида: характеризует конечную, стационарную скорость поступательного движении я вращающейся капли Очевидно, что зависимость координаты х центра капли от времени определится интегралом
На рисунке 3.11 графически представлены зависимости силы сопротивления среды (кривая 1) и равнодействующей силы Fp (кривая 2) от угла а поворота капли. Прямая 3 соответствует величине силы Магнуса. Как следует из представленных кривых, сила сопротивления среды с течением времени возрастает, стремясь к величине силы Магнуса. При этом равнодействующая
Зависимость силы сопротивления среды (кривая 1) и равнодействующей силы (кривая 2) от угла поворота капли. Прямая 3 - сила Магнуса. сила убывает, стремясь к нулю. Поскольку, согласно (3.14) эквивалентный радиус капли является гармонической функцией, то в любой момент времени
На рисунке 3.12 (а) представлена временная зависимость горизонтальной координаты центра капли х = f(t). Точками показаны экспериментальные данные, сплошная линия - результат вычислений по формуле (3.19). Наблюдаемые на конечном участке траектории расхождения результатов эксперимента с теоретической зависимостью может быть объяснено, по всей видимости, влиянием на характер движения капли дна кюветы.
На рисунке 3.12. (б) приведена та же зависимость х = f(t), соответствующая начальному участку траектории капли. Как следует из рисунков, на протяжении всего времени падения капли изменение её координаты в горизонтальном направлении можно считать происходящим по линейному закону, что удовлетворительно согласуется с анализом полученных в ходе эксперимента видеозаписей. Однако на начальном участке траектории координата капли изменяется по нелинейному закону, что, по всей видимости, обусловлено процессом установления её скорости в этом направлении. Поскольку временной интервал, соответствующий нелинейному участку траектории мал, то обнаружить экспериментально отклонение зависимости х = f(t) от линейного закона путём анализа видеозаписей не представилось возможным. Таким образом, установлено, что величина силы Магнуса в процессе падения капли не зависит от угла а ориентации её большой оси в пространстве и на протяжении всего времени движения капли остаётся постоянной. Также установлено, что горизонтальная составляющая скорости капли носит гармонический характер, но в течение примерно времени одного полного оборота большой оси капли амплитуда горизонтальной составляющей х, мм ЗО 25
Зависимость горизонтальной координаты центра капли от времени (начальный участок пути). скорости является возрастающей функцией угла поворота капли. Дальнейшее движение капли происходит с установившейся амплитудой горизонтальной составляющей её скорости. Показано, что процесс установления амплитуды скорости капли приводит к нелинейному характеру изменения во времени координаты капли на начальном участке её траектории.
Установлены особенности движения капли устойчивой к агрегированию магнитной жидкости в водной среде при дополнительном воздействии вра щающегося магнитного поля, вызванные вращательным движением деформи рованной магнитным полем капли: - отклонение направления движения капли магнитной жидкости, падающей в однородном вращающемся магнитном поле от вертикали, происходящее при превышении некоторого критического значения напряженности, при котором сферическая форма капли начинает трансформироваться в эллипсоидальную и его зависимость от частоты вращения поля, имеющая максимум при некоторой частоте; - зависимость указанного отклонения от межфазного натяжения на границе «капля - среда», что связано со снижением напряженности поля, при которой начинается деформация капли.
Проведен анализ установленных особенностей движения капли магнит ной жидкости во вращающемся магнитном поле, на основании которого сделан вывод, что отклонение движения капли магнитной жидкости от вертикали свя зано с возникновением вокруг нее циркуляционных потоков внешней среды, приводящих к эффекту образования поперечной силы (эффекту Магнуса). Про ведено теоретическое обоснование исследованного эффекта, сделан вывод, что вращение капли не может быть объяснено с позиций общепринятой модели "внутренних вращений", а связано с трансформацией её формы из сферической в эллипсоидальную в результате воздействия поля.
3. Проведено аналогичное исследование особенностей движения капли магнитной жидкости с хорошо развитой системой намагниченных агрегатов во вращающемся магнитном поле. Показано, что в этом случае отклонение движения капли от вертикали, происходящее при отсутствии видимой деформации капель, обусловлено процессами возникновения внутренних вращений агрегатов.
Влияние микроструктуры магнитных жидкостей на макроскопическое движение их капель в неоднородном переменном магнитном поле
Результаты исследований, описанных в предыдущем разделе, указывают на возможность накопления на поверхности струй как поляризационного, так и свободного заряда. При этом, возникает вопрос о природе носителей свободного заряда в исследуемых системах, которыми могут являться как примесные ионы, так и заряженные коллоидные частицы. Наличие заряженных частиц в коллоиде может приводить при воздействии электрического ПОЛЯ к возникновению неоднородности эффективной плотности среды, вследствие накопления таких частиц на межфазных поверхностях и, как следствие, к изменению физических свойств объекта. Все это указывает на большое значение изучения механизмов переноса заряда в магнитных жидкостях и особенностей протекания в них электрокинетических явлений. Достаточно подробно вопросы о механизмах переноса заряда, величине и знаке заряда коллоидных частиц и особенностях электрокинетических явлений исследованы в отношении магнитных жидкостей на водной основе, в которых осуществляется электростатический механизм стабилизации. Так, например, результаты систематических исследований явления электрофореза в магнитной жидкости на водной основе, стабилизированной различными электролитами, и библиография по данному вопросу приведены в [103, 104]. В работах [105, 106] приводятся результаты исследований потенциала седиментации в таких средах.
В противоположность водным магнитным жидкостям, механизм переноса заряда в магнитных жидкостях на углеводородных основах изучен недостаточно. Стабилизация таких коллоидов осуществляется за счет образования на частицах дисперсной фазы адсорбционных слоев молекул ПАВ, при этом концентрация свободных носителей заряда в данных средах, как правило, весьма мала. Однако в углеводородных магнитных жидкостях все же имеет место наличие некоторого количества примесных ионов, которые могут быть причиной заряжения частиц дисперсной фазы и обуславливать протекание электрокинетических явлений. Наличие примесных ионов обычно связывают с неполной десорбцией ионов с поверхности дисперсных частиц в процессе отмывки после их получения по методу химической конденсации [7].
Несмотря на то, что наличие примесных ионов в углеводородной магнитной жидкости не вызывает сомнений, в современной литературе нет единого мнения о механизме переноса заряда в такой среде, возможности протекания в ней электрокинетических явлений, а также данных о величине и знаке заряда коллоидных частиц. Так в [7] на основании обобщения различных опытных данных делается заключение, что перенос заряда в углеводородной магнитной жидкости осуществляется исключительно за счет движения свободных ионов в дисперсионной среде. Напротив, результаты электрических [108] и оптических [109] измерений позволили автором указанных работ сделать вывод, что перенос заряда в таких магнитных жидкостях осуществляется как за счет движения свободных ионов, так и в значительной степени за счет движения заряженных дисперсных частиц. При этом в [108, 109] рассматривается модель, предполагающая, что зарядом могут обладать все частицы дисперсной фазы, причем в равных количествах присутствуют как положительно, так и отрицательно заряженные частицы. В работе [ПО] на основании измерений комплексного импеданса ячейки с магнитной жидкостью, авторы делают вывод, что в процесс переноса заряда помимо свободных ионов некоторый вклад вносят также заряженные коллоидные частицы, однако никаких сведений о степени этого вклада, величине и знаке заряда частиц не приводится.
В работах [111, 112] авторы предлагают модель, в которой все коллоидные частицы являются отрицательно заряженными, что позволило им объяснить полученные результаты проведенных ими измерений диэлектрической проницаемости магнитной жидкости. Однако, в работах [113, 114], посвященных исследованию оптической прозрачности магнитной жидкости в электрическом поле сделан вывод, что коллоидные частицы вовсе не заряжены и могут приобретать заряд, лишь находясь вблизи электродов. В отличие от указанных работ, в [106] на основании данных измерений электропроводности углеводородной магнитной жидкости и предложенной теоретической модели сделан вывод, что лишь одна тысячная всех коллоидных частиц обладает зарядом и знак заряда отрицательный.
Отмеченные противоречия в оценках механизма переноса заряда в углеводородных магнитных жидкостях могут быть разрешены путем непосредственного исследования закономерностей протекания электрокинетических явлений в данных средах. Такие исследования ранее осуществлялись весьма ограничено и носили косвенный характер. В настоящей работе предложены методики исследования электрофореза и потенциала седиментации в магнитных жидкостях, позволяющие использовать специфику данных коллоидных систем, которая заключается в наличии сильных магнитных свойств у частиц дисперсной фазы. В качестве объекта исследования была использована магнитная жидкость на основе керосина с диспергированными в нем частицами магнетита и олеиновой кислотой в качестве стабилизатора.
Исследование электрофореза в магнитной жидкости проводилось с помощью экспериментальной установки, подробно описанной во второй главе (рис. 2.7). Она представляла собой цилиндрическую стеклянную трубку с двумя дисковыми электродами у ее концов. Снаружи, вблизи электродов расположены две катушки индуктивности с помощью которых оценивалось накопление дисперсных частиц у электродов. Действительно, как уже было указано в главе 2 в случае, если в магнитной жидкости имеет место электро-форетическое движение дисперсных частиц, их концентрация вблизи электродов будет изменяться. При этом, поскольку частицы обладают сильными магнитными свойствами, должна также изменяться индуктивность катушек, по результатам измерения которой и может быть определен электрокинетический потенциал.
Были проведены измерения для трех образцов магнитных жидкостей с объемной концентрацией дисперсной фазы с = 6.6;3и1%. Образцы с меньшей концентрацией были получены путем разбавления исходной магнитной жидкости чистым керосином. Измерялась зависимость индуктивности L катушек, расположенных вблизи положительного и отрицательного электродов, от времени, начиная с момента подачи электрического напряжения. Измерения проводились с интервалом 10 мин. В результате было обнаружено, что индуктивность L катушки, расположенной вблизи положительного элек по трода, с течением времени возрастает, тогда как индуктивность катушки, находящейся около отрицательного электрода, - уменьшается.
В качестве примера на рисунке 5.7. представлены экспериментальные зависимости относительного изменения индуктивностей измерительных катушек от времени действия электрического поля, полученные для магнитной жидкости с концентрацией дисперсной фазы 3%. Как видно, наблюдается практически симметричное изменение величин индуктивностей катушек, расположенных вблизи положительного и отрицательного электродов. На основании полученных результатов можно сделать вывод, что в исследуемой магнитной жидкости имеет место электрофоретическое движение частиц дисперсной фазы, сами частицы при этом несут отрицательный заряд